双向直流-直流变换器的设计与仿真姓名：张羽学号：109081183 指导教师：李磊 院系：动力工程学院摘要： 本文选取了一种以 Buck-Boost 变换器为基础的双向 DC-DC 变换器进行 了研究，设计了一种隔离型Buck-Boost双向DC-DC变换器。并根据设计指标， 对变压器、输出滤波器、功率开关等进行参数设计，并使用saber仿真软件完成 了这种带高频电气隔离的拓扑的仿真。双向 DC-DC 变换器 Buck-Boost 变换器 saber 仿真软件 uc38420 引言所谓双向DC-DC变换器就是实现了能量的双向传输，在功能上相当于两个 单向DC-DC。它的输入、输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改 变。是典型的“一机两用”设备。在需要双向能量流动的应用场合可以大幅度减 轻系统的体积重量及成本。近年来,双向 DC/DC 变换器在电动汽车、航天电源系统、燃料电池系统以及 分布式发电系统等方面得到了广泛应用。1 基本电路的选取DC-DC 功率变换器的种类很多。按照输入/输出电路是否隔离来分，可分为 非隔离型和隔离型两大类。非隔离型的DC-DC变换器又可分为降压式、升压式、 极性反转式等几种；隔离型的DC-DC变换器又可分为单端正激式、单端反激式、 双端半桥、双端全桥等几种。下面主要讨论非隔离型升压式DC-DC变换器的工 作原理。本文选取Buck-Boost双向DC-DC变换器进行了仿真实验。2 Buck-Boost 双向 DC-DC 变换器2.1 Buck-Boost 变换器将Buck变换器与Boost变换器二者的拓扑组合在一起，除去Buck中的无源 开关，除去Boost中的有源开关，如图所示，称为升降压变换器。它是由电压源、 电流转换器、电压负载组成的一种拓扑，中间部分含有一级电感储能电流转换器。 它是一种输出电压既可以高于也可以低于输入电压的单管非隔离直流变换器。 Buck-Boost 变换器和 Buck 变换器与 Boost 变换器最大的不同就是输出电压的极 性和输入电压的极性相反，输入电流和输出电流都是脉动的，但是由于滤波电容 的作用，负载电流应该是连续的。图 2.1 Buck-Boost 变换器的拓扑2.2非隔离Buck-Boost双向DC-DC变换器的原理及参数计算如图 2.2 所示，将 Buck-Boost 变换器中的功率二极管与可控功率器件（如 Power MOSFET、IGBT 等）并联，再将可控功率器件与功率二极管并联，就构 成了非隔离 Buck-Boost 双向 DC-DC 变换器。图 2.2 非隔离 Buck-Boost 双向 DC-DC 变换器的拓扑 这种电路的主要优点是，电压增益随占空比的变化可以降压也可以升压， 同时电路的结构比较简单。但同时也存在一些不足之处，如不适用于大功率场合 下的应用等等。非隔离 Buck-Boost BDC 的工作原理与 Buck-Boost 电路类似，但是实现了 能量的双向流动。现以能量从左向右流动时的情况对电路原理进行简要说明。当开关管 T1 导通时，二极管 D2 反偏截止，电感由直流电源充电，而负载电压由电容 C2 维 持。当T1关断时，D2正偏导通，将原先存储在电感中的能量释放出来，一方面 向负载供电，另一方面向C2充电。在这两种状态的情况下，输出电压的极性和 输入电压的极性都是相反的，也就是说，电路的直流增益小于 0。对于能量从右向左流动时的情况而言，电路原理是一致的，在此就不重复说 明。在非隔离Buck-Boost BDC的情况下，可以对电路中的功率开关、输出滤波 器等器件进行参数计算。在仿真实验中，开关管选择MOSFET,开关频率为20kHz，负载为0.5欧。设计指标：输入电压Ui=24V；输出电压Uo=12V；输出电流Io=20A；输入、输出要有高频电气隔离；输出电压纹波Vppv200mV；输出滤波电感电流纹波Ippv400mA;变换效率80%；输入电压Ui为24V时的占空比为D =丄c 3RL 二(1-D )2T 二 5.55uHc 2 c s输出滤波电容为：VDTC 二一二 16.66mFRAU 0由于非隔离Buck-Boost双向DC-DC变换器的输入电流和输出电流都是脉动 的。为满足低输出纹波的要求，需要加入滤波器进行平波。同时，由于这种滤波 器可以使用标准介质电容器，使设备成本较低。如图2.3所示。在原先设计的反激变换器的输出级前再增加了一级LC输出 滤波器。这样，就构成了两级LC输出滤波器。第二级谐振输出滤波器中L取值为13uH,电容取值为470uF。IfTT图 2.3 有两级 LC 输出滤波器的非隔离 Buck-Boost 双向 DC-DC 变换器2.3隔离型Buck-Boost双向DC-DC变换器在非隔离 Buck-Boost BDC 中插入高频变压器，即可构成隔离型 Buck-BoostBDC 拓扑。如图所示图 2.4 隔离型 Buck-Boost 双向 DC-DC 变换器变换器中的电感变压器起着电感和变压器的双重作用。当功率开关管 T1导通，电源向原边耦合电感L储能，二极管D2截止，由电容C2向负载供电；p当T1截止时，二极管D2导通，变压器储能经副边耦合电感L向负载放电，同s 时向电容充电。3反激变换器高频变压器T的参数设计3.1 确定磁芯材质和型号在仿真实验中选取最大占空比Dmax为0.4,工作频率是20KHz。选用软磁铁氧体R2KBD、罐形铁芯，Bm=5100GS。此时磁芯工作于第二种工作状态，取磁芯磁感应强度的变化量厶B=l/3BS=1700GS，将T =D T =20 p S、ONmax max SP =240W、n =80%、K=l、Ku =0.3、j=500A/cm2 代入得OmaxC2P TSQ o maxON max -x 108 3.765cm 4ABn K K jc 卩选用GU18罐形磁芯，该磁芯的截面积S和窗口面积Q分别为兀S S (7.82 - 2.92) 0.4118cm2C4Q (14.6-7.8)x3.6 0.2448cm2SQ 0.4118 x 0.2448 0.1008cm4 0.04184cm43.2 绕组计算(1) 计算变压器初级电感量DCM模式，最大输出功率时电流临界连续，所以L1maxU 2 T2i min_ON max nP2T 242 x (20x10-6)2240 x 2 x 50 x 10-6x0.8 7.68 x10-6 Ho maxS(2) 计算磁芯上所开气隙的长度6TU 2 T 2卩 N 2 S “L i min_ON max n 0 JC x 10-81max P2T5O max SAB UTNS x 10-81C根据以上两式，可得磁芯上所开气隙长度5 为52 PT卩o max_S 0AB 2S n x 10-8C_ 2 x 240 x 50 x 10-6 x 0.4兀 _ 17002 x 0.4118 x 0.8 x 10-80.03166cm(3) 计算原边绕组匝数N_L5：7.68x 10-6 x 0.031661 x 108 x 108 6.856卩 S0.4k x 0.41180 C取N=7匝。10.4 x 240.6 x 12=1.333(4) 计算匝比，确定各副边绕组匝数N T Un =1 =ON max i min12 N(T - T )(U + U )2ON max 02 DU 为输出整流二极管压降。D取副边绕组匝数为 N2=N1/n12=7/1.333=5.25=5(5) 根据 N1 来校核原边电感，并计算各副边电感L1maxC x 10-8=8 x 10-6 H略大于计算值 7.68uHL = N；foSc x 10-8 = 4.08 x 10-6 H2maxO(6) 计算变压器原副边绕组电流有效值变压器原边电流峰值为2P2x288I = o= 75 A1pU D 耳 24 x 0.4 x 0.8i min max各副边电流峰值为=2x 2x324 x 0.4 x 0.8=1.5625A2P nI = o 2 122 pUD 耳 i min max原边电流有效值为1= 27.386 A副边电流有效值为I =. J Toff (I 2t)2dt = .=0.7 A2 T 02P tt 3 SOFF S(7) 确定原副边导线线径和股数取 j=500A/cm2 ，根据 S=I/j 可得，原副边导线截面积为 S1=0.054772cm2S2=0.0014cm2。选 用 d=0.23mm 的 导 线 ， 其 截 面 积 为 0.0415mm2 。 N1 并 绕 根 数=5.4772/0.0415=131.98 根，取 132 根；N2 并绕根数=0.14/0.0415=3.37 根，取 3 根。4驱动电路的设计仿真实验中用到两个开关管，也就是需要两路相位互补的 PWM 波驱动实验 所用到的MOSFET管。仿真实验所选用得uc3842芯片是一种高性能的单端输出式电流型PWM控制 器。电流控制环由PWM锁存器、电流检测比较器、误差放大器和锯齿波振荡电 路组成。该芯片能产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱动信号，用外部元件 Rt 和 Ct 可设定振荡频率，并精确地控制占空比。可通过控制开关管的通断状态来调 节输出电压的高低，达到稳压目的。f _ 1.8R * CTT由于仿真实验的频率设定为20kHz，可选取Rt为16KQ，Ct为5.6nf。Buck-Boost 变换器传统的控制方式有几种，其中之一为电压型控制。通过检 测输出电压进行单环反馈控制，电路参数的任何变化只有在引起输出电压变化后 才能引起控制环节进行控制，由于反馈电路采用积分环节，因此对输入电压和负 载变化的响应速度慢。在 uc3842 芯片中使用的是电流型控制。电流型控制是根据主（功率）电感电 流的变化来调节占空比。电流型控制的管脚是 CS 脚。同时，控制环路通过 vfb 脚对输出电压进行控制。所获得的电压通过vfb脚与UC3842芯片中的内部2.5V 电源进行比较。图 4.1 uC3842 外围电路及部分仿真波形由图4.1可见，output端输出的PWM波频率为20 kHz，vfb脚上的电压稳定 在2.5v, CS脚上的电压在0-1V间脉动。也就是说，电流型控制起到了作用，保 证了电路输出达到所需要的幅值。由于要同时驱动两个开关管，同时这两个开关管的所需的驱动波形应该是相 位互补的PWM 波,那么就可以在output的输出上外接一个反相器，输出另一路 PWM 波。5 隔离型 Buck-Boost 双向 DC-DC 变换器的仿真在 saber 仿真中所使用的开关管型号是 apt50m60jn。 这是一种使用较为广泛的MOSFET管，在仿真中所选取的20kHz的频率下工作性能较为良好。功率开关管上承受的电压应力和电流应力分别为NU 二 U+ U 二 24 + 3.5*12 二 66